2017 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of superionic conductors
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17H06145
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
菅野 了次 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (90135426)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平山 雅章 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (30531165)
鈴木 耕太 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (40708492)
米村 雅雄 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 特別准教授 (60400602)
田村 和久 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 物質科学研究センター, 研究副主幹 (10360405)
小林 玄器 分子科学研究所, 協奏分子システム研究センター, 特任准教授 (30609847)
日沼 洋陽 千葉大学, 先進科学センター, 特任助教 (80648238)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | 超イオン導電体 / 固体イオニクス / 中性子 / 放射光 / ナノ界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
新しい電気化学エネルギー変換・貯蔵デバイスの開発の鍵を握る超イオン伝導体において、リチウムおよびヒドリド導電体さらには他の一価イオン伝導性を示す新物質の探索を行った。また、ナノ界面におけるイオン導電開拓に向けた、薄膜合成を行った。
1.リチウム系ではLi-Al-Si-S系材料を中心に探索を行った。Li5AlS4-Li4SiS4連結線において、Al/Si比が0.1付近でアルジロダイト型相(室温で2.5 × 10-4 S/cm)が得られた。また、アルジロダイト相は準安定相であり、溶融急冷法が合成の鍵で有ることを見出した。
2.ヒドリド系ではK2NiF4型構造を有するLn2LiHO3組成(Ln=La, Pr, Nd, Sm)を中心に探索を行った。K2NiF4型の単相は、La, Pr, Ndまで合成することができた。Nd2LiHO3が280°Ｃにおいて最も高いイオン導電率(4.60 × 10-2 S/cm)を示し、ペロブスカイト層内のアニオン配列とイオン導電特性に強い相関があることが分かった。
3.他の一価イオン系では、Na3PS4系材料の合成法を様々に検討し、正方晶系Na3PS4において、類似組成の立方晶系に比べて高いイオン導電率(3.4 × 10-3 S/cm)が発現することが明らかになった。高温から急冷、さらにはアニール処理を行うことで、格子内のナトリウム配列が変化することで、超イオン導電特性を示す可能性を見出した。
4.ナノ界面におけるイオン導電開拓を目指して、ペロブスカイト型リチウム導電体薄膜の合成と、異種材料との固体固体界面形成を検討した。Li-Sr-Ta-Zr-O系ペロブスカイトは単結晶基板上にエピタキシャル成長が可能であるが、スピネル型Li-T-O系材料上には蒸着温度、格子不整合の問題により積層が困難であることが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
リチウム系、ヒドリド系、さらにはナトリウム系において新規なイオン導電体を見出した。特に高いイオン導電率の物質が見つかったリチウム系、ナトリウム系の物質探索においては結晶構造の解析まで実施しており、さらなる導電率の向上を目指した理論計算との融合を開始している。結晶構造情報を基に、理論解析の方針について議論を行っており、円滑に二年度目以降の研究を進めることができる。また、ナノ界面形成における課題についても洗い出すことが出来ている。以上より、本年度の進捗は、当初計画に沿って順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究は順調に進捗している。今後は、初年度に得られた成果を軸として更なる物質探索、イオン導電率の向上に特化した研究を進める。具体的には、以下の4項目を実施して、様々な電荷担体における超イオン導電体の創出を実現する。
1.リチウム系においては、アルジロダイト準安定相を安定化させるための、アニオン置換系の開発を進める。第一段階として酸硫化物から着手し、溶融急冷法による合成と、示唆熱分析を組み合わせることで、相安定性向上の効果を検討する。
2.ヒドリド系では、Ln2LiHO3からLnの一部をSrで置換した固溶系へと展開し、格子サイズの拡大、キャリア濃度増大によるイオン導電率の向上を実現する。Ln2LiHO3系での相生成領域をもとに、Ln種の拡大も同様に検討する。
3.その他の一価イオン伝導体については、Na3PS4を中心に理論計算による相生成エネルギー、拡散機構の解析を行い、イオン導電率向上の指針を取得する。また、ヒドリドイオン導電体の派生系としてプロトン伝導性を示す物質の探索を計画する。
4.ナノ界面の構築については、エピタキシャル積層のモデルとして多結晶膜の積層によりスクリーニングを行い、最適な材料組み合わせを検討する。材料の多様化、製膜温度の最適化により、理想的な固体固体界面を構築し、単層膜と積層膜におけるイオン導電率の差異検出を目指す。
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